聊聊iOS和Mac OS中的AutoreleasePool

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写在最前面:你们别光看啊,发现我说的不对的地方请指出或留言,希望我们一起进步。

iOS程序的main()函数我们都很熟悉,在函数入口处有一个自动释放池autoreleasepool,今天我们从这里开始探究autoreleasepool究竟是何方神圣😏

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Hello, AutoreleasePool!");
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

借助clang转换为C++代码实现main.cpp文件,窥探一下这个main()函数:

int main(int argc, char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_301f30_mi_0);
        return UIApplicationMain(argc, argv, __null, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class"))));
    }
}

发现@autoreleasepool对应的是一个__AtAutoreleasePool类型的变量__autoreleasepool;在main.cpp文件中找到__AtAutoreleasePool的定义如下:

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

可见__AtAutoreleasePool是一个C++结构体,在C++中结构体类似我们iOS中的“类”这个概念,结构体里面有两个与结构体同名的函数__AtAutoreleasePool()、 ~__AtAutoreleasePool()分别称之为构造函数和析构函数,他们分别在结构体创建和销毁的时候调用,功能类似于iOS中的- (void)init - (void)dealloc
因此__autoreleasepool对象一创建就会调用objc_autoreleasePoolPush();,销毁的时候则调用objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);,知道了这些,我们沿着objc_autoreleasePoolPush(); objc_autoreleasePoolPush();这两个函数的实现继续往下看就好了(从哪里看?可以从苹果开源的objc源码中获取)。

我将源码中相关调用函数摘抄如下(不摘抄怎么叫“读源码”呢🙄):

void *_objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return objc_autoreleasePoolPush();
}

void *objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

static inline void *push() 
    {
        id *dest;
        if (DebugPoolAllocation) {
            // Each autorelease pool starts on a new pool page.
            dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
        } else {
            dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
        }
        assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
        return dest;
    }

 id *autoreleaseNewPage(id obj)
 {
      AutoreleasePoolPage *page = hotPage();     
      if (page) return autoreleaseFullPage(obj, page);

      else return autoreleaseNoPage(obj);
 }

 static inline id *autoreleaseFast(id obj)
 {
      AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
      if (page && !page->full()) {
          return page->add(obj);
      } else if (page) {
          return autoreleaseFullPage(obj, page);
      } else {
          return autoreleaseNoPage(obj);
      }
 }

泛看下来,这其中涉及到一个重要的类AutoreleasePoolPage,从源码中发现AutoreleasePoolPage有以下7个成员及一些内部函数(已省略):

AutoreleasePoolPage.png
  • 每个AutoreleasePoolPage对象占用4096字节内存,除了用来存放它内部的成员变量,剩下的空间用来存放autorelease对象的地址。
  • 所有的AutoreleasePoolPage对象通过双向链表的形式连接在一起。
AutoreleasePoolPage对象之间的关系网.png

autoreleasePool以autoreleasePoolPage为单位进行展开的,因为每一个autoreleasePoolPage只有4096 byte,如果自动释放池中的对象太多就需要分页(n个autoreleasePoolPage)存储。当开启一个自动释放池的时候,执行push()函数中autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);,将一个POOL_BOUNDARY入栈自动释放池并返回POOL_BOUNDARY在池中指针。(POOL_BOUNDARY是一个系统定义的宏,其定义为# define POOL_BOUNDARY nil)。自动释放池结束的时候调用pop(void ctxt)函数,同时传入这个POOL_BOUNDARY地址,这个时候会从最后一个进栈的对象开始发送release消息,直到遇到这个POOL_BOUNDARY。自动释放池内部可以多层嵌套,形如下面这样(demo运行环境为MRC*):

多级嵌套的自动释放池.png

多层嵌套之后push()也会多次调用并将POOL_BOUNDARY压入栈中,每次返回一个新的存放POOL_BOUNDARY的指针,每一个push()都有与之对应的pop(void *ctxt)函数。

多层@autoreleasepool之后,自动释放池中状态.png

多层嵌套的C++代码:

多层嵌套的C++代码.png

demo中选择了4层@autoreleasepool,借助私有函数void _objc_autoreleasePoolPrint(void);可以获取自动释放池的状态。我们看到自动释放池中有7个待释放的对象,其中__NSArray与__NSSetI是系统的,最后一个TestObject是我们自己创建的,中间四个POOL对象就是@autoreleasepool 4次,累计调用4次push()函数,每次push()之后都会将一个POOL_BOUNDARY压入池子中的对象。

前面说过autoreleasePool以autoreleasePoolPage为单位进行展开的,每个AutoreleasePoolPage对象占用4096字节内存,如果自动释放池中的对象总大小超过4096 byte,自动释放池中的对象太多就需要分页(n个autoreleasePoolPage)存储,这里我临时创建了700个对象,(700*8 byte = 5600 byte),自动释放池的状态如下:

code:
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        @autoreleasepool {
            NSLog(@"11111");
            @autoreleasepool {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wunused-variable"
             
                for (int i = 0; i < 700; i++) {
                    
                    TestObject *testObj = [[[TestObject alloc] init] autorelease];
                }
#pragma clang diagnostic pop
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            }
            NSLog(@"22222");
        }
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

pool state

objc[5438]: 705 releases pending.
objc[5438]: [0x7f8a1e003000]  ................  PAGE (full)  (cold)
objc[5438]: [0x7f8a1e003038]    0x6000009d1a80  __NSArrayI
objc[5438]: [0x7f8a1e003040]    0x600003ffa8f0  __NSSetI
objc[5438]: [0x7f8a1e003048]  ################  POOL 0x7f8a1e003048
objc[5438]: [0x7f8a1e003050]  ################  POOL 0x7f8a1e003050
objc[5438]: [0x7f8a1e003058]  ################  POOL 0x7f8a1e003058
objc[5438]: [0x7f8a1e003060]    0x600001ee4120  TestObject
objc[5438]: [0x7f8a1e003068]    0x600001ee4160  TestObject
.
.
.
objc[5438]: [0x7f8a1e003ff0]    0x600001ee6010  TestObject
objc[5438]: [0x7f8a1e003ff8]    0x600001ee6020  TestObject
objc[5438]: [0x7f8a1e001000]  ................  PAGE  (hot) 
objc[5438]: [0x7f8a1e001038]    0x600001ee6030  TestObject
objc[5438]: [0x7f8a1e001040]    0x600001ee6040  TestObject
.
.
objc[5438]: [0x7f8a1e001670]    0x600001ee6ca0  TestObject
objc[5438]: ##############

700个OC对象指针大小超过了一个PAGE的承载量,因此系统又重启了一个新的PAGE,两个PAGE 地址及状态分别为:
objc[5438]: [0x7f8a1e003000] ................ PAGE (full) (cold)
objc[5438]: [0x7f8a1e001000] ................ PAGE (hot)
第一个PAGE标记为full、cold,“full”表示该PAGE空间已满,“cold”表示该PAGE当前不活跃(可以理解为存满了,其他的自动释放对象暂时不会去访问该PAGE)
第二个PAGE标记hot,表明当前正处在使用状态,因为还没有放满。
再细看一下PAGE的内存地址,PAGE起始地址0x7f8a1e001000,存放的第一个TestObject地址0x7f8a1e001038,地址相差56 byte,根据前面AutoreleasePoolPage这个类的结构,里面有7个成员对象, 7*8 byte = 56 byte,匹配。因此对于一个AutoreleasePoolPage而言,总大小为4096 byte,前56 byte存放AutoreleasePoolPage自己的成员指针,后面的内存存储 autorelease 对象指针。

既然池子中的对象在池子结束的时候就会被释放,那对于iOS应用而言,只要程序不异常退出,因为RunLoop,main函数就会一直在运行,@autoreleasepool也就不会结束,那程序中的那么多函数中局部变量怎么释放的呢?显然不是依赖于main()中的 @autoreleasepool

那autorelease对象在什么时机会被调用release?
这个分情况看:

  • 如果是@autoreleasepool中的autorelease对象,那等autoreleasepool结束的时候就会调用对象的release方法,通过上面demo的结果,这毫无疑问了。
  • 那对于程序中局部函数内部的autorelease对象什么时候被调用release呢?
    对于第二个问题我之前错误地以为局部函数一旦调用结束,局部autorelease对象就立马被释放了。事实并非如此,我用一张图表示一下:
autorelease对象被dealloc时序.png

现象是viewDidLoad中的autorelease对象testObj并没有在viewDidLoad调用结束就立马释放,而是在viewWillAppear:viewDidAppear:之间被释放,这取决于RunLoop。
实际上iOS在主线程的Runloop中注册了2个Observer,第1个Observer监听了kCFRunLoopEntry事件,会调用objc_autoreleasePoolPush();
第2个Observer监听了kCFRunLoopBeforeWaiting与kCFRunLoopBeforeExit事件。kCFRunLoopBeforeWaiting的时候会调用objc_autoreleasePoolPop()、objc_autoreleasePoolPush();
kCFRunLoopBeforeExit的时候会调用objc_autoreleasePoolPop()。
因此程序在即将休眠的时候会集中处理待release的局部对象。

那在ARC下,函数中的局部对象又是在什么时机被dealloc的呢?
ARC下局部函数中局部对象dealloc时机.png

发现其局部对象确实是马上释放了。ARC下局部对象dealloc时机的表现与MRC下autorelease对象不一致,既然刚才已经验证autorelease对象被dealloc的时机依赖于RunLoop,那从“ARC下局部对象的销毁与MRC下表现不一致的结果”猜测编译器并不是在创建对象的时候加了autoRelease方法,而应该是在要出局部函数之前直接调用了对象的release方法。

ARC为我们做了什么?(LLVM + Runtime相互协作的结果)
在ARC环境下,系统利用LLVM编译器自动为我们给对象添加retain、release、autorelease等方法。
像弱引用对象这样的存在是需要运行时runtime,runtime检测到弱引用对象销毁的时候,将弱引用对象清空掉。

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